胚柄GPT1转运体调控拟南芥胚发育的分子机制 ​

来源：植物生物学

2020年12月29日，Plant Physiology 在线发表了美国密苏里大学哥伦比亚分校生物化学系张舒群教授为通讯的题为“Expression of a plastid-localized sugar transporter in the suspensor is critical to embryogenesis”的研究成果，揭示了胚柄中质体定位的葡萄糖-6-磷酸转运体GPT1在拟南芥胚发育过程中发挥重要作用。

研究背景

拟南芥胚发育始于合子的非对称细胞分裂，形成一个较小的顶细胞，最终发育成胚胎，并形成一个较大的基细胞，通过横向分裂形成胚柄。胚发育早期阶段，胚柄将胚与周围的母体组织连接起来，在营养物质和生长素的运输中起着至关重要的作用。然而，胚柄细胞仍具有胚性潜能，可以发生转换并发育成胚，但一般在球状胚阶段后，胚柄细胞便失去了成为胚的潜能。目前为止，对于胚柄细胞的胚性转化机制尚不清楚。

植物的生长发育依赖于源细胞和库细胞之间以及不同细胞器之间的糖转运。早期胚为异养型的库组织，细胞中的非光合质体负责输入糖类物质。质体定位的葡萄糖-6-磷酸（G6P）转运体（GPT）介导碳以G6P的形式摄取到质体中。拟南芥中的两个GPT基因（GPT1和GPT2）均是功能性G6P转运体，其中GPT1为必需基因。GPT1突变导致花粉和胚珠发育缺陷，利用种子特异性启动子抑制GPT1会导致球形胚种子败育。

主要研究结果

1. GPT1启动子驱动GPT2-eYFP表达可以回补gpt1突变体配子缺陷，但不能回补胚发育缺陷

在拟南芥中，GPT1与GPT2高度同源，两者具有相似的生化功能，但表达模式却不同。利用GPT1启动子驱动GPT2-eYFP表达，能够成功回补gpt1突变体花粉和胚珠发育缺陷。然而，由于胚柄中缺乏GPT2-eYFP蛋白，PGPT1:GPT2-eYFP不能完全回补gpt1-/-胚缺陷（图1）。多数PGPT1:GPT2-eYFP gpt1-/-种子在幼胚球形期表现败育，这与胚和胚柄细胞的异常分裂有关。PGPT1:GPT2-eYFP gpt-/-幼苗期根组织异常，表明GPT1对根系发育也至关重要。

图1. GPT1启动子驱动的GPT2表达未能完全补救gpt1-/-的胚致死表型

2. 胚柄中表达的GPT1在胚发育过程中起着至关重要的作用

在自身启动子驱动下，GPT1-eYFP信号在胚柄中高度积累。为证实GPT1在胚柄中发挥重要作用，利用三个不同的胚柄特异性启动子（WOX8, AT1G74190, IAA10）驱动GPT1-eYFP表达，以尝试进一步回补PGPT1:GPT2-eYFP gpt+/-植株表型。结果显示，这三种启动子均能成功诱导GPT1-eYFP在胚柄中表达，从而完全补救gpt1-/-胚发育缺陷。

3. 胚柄特异性RNAi抑制GPT1表达导致胚发育缺陷

为了更直接证明GPT1的胚柄中的特异性表达对胚发育至关重要，利用胚柄特异性启动子对GPT1表达进行RNAi干扰抑制，结果导致多数GPT1-RNAi 转基因幼苗/胚发育缺陷。GPT1-eYFP融合蛋白表达信号显示，GPT1-RNAi 显著影响16细胞期和球形期GPT1的表达（图2）。此外，胚柄特异性RNAi抑制GPT1表达导致胚柄和胚体细胞出现类似的异常分裂。

图2. GPT1-eYFP荧光信号在GPT1-RNAi 胚柄中受到抑制

4. GPT1-RNAi 胚中PIN定位及生长素活性发生改变

GPT1-RNAi 幼苗异常表型与生长素缺陷突变体表型类似，由此对GPT1-RNAi 胚中的DR5（高活性的生长素合成响应元件）活性进行检测。结果表明，胚柄中GPT1功能丧失和由此产生的胚/幼苗发育缺陷与DR5生长素活性的改变有关，同时表明，生长素运动发生潜在变化。通过对GPT1-RNAi 胚中PIN1的定位进行分析发现，在GPT1-RNAi幼胚球形期，PIN1蛋白极性降低，在液泡内积累，而在质膜中的定位基本消失（图3）。

 图3. PIN1在胚柄特异性GPT1-RNAi 胚中的液泡定位

一图解文

图4. GPT1在胚发育中的功能与生长素活性的关系

（A）在野生型胚中，GPT1的积累只有在球形期后才从早期胚胎阶段的胚体和胚柄转移到胚柄，这与PIN在细胞膜上的极性定位有关，将生长素从合成位点（胚体顶端）和母体组织转运到胚根原。（B）胚柄中GPT1表达水平的降低导致PIN1在液泡中定位以及细胞膜上PIN的极性定位丢失，这导致在生长素合成或从母体组织运输的位点具有较高的生长素活性。胚柄基部较高的生长素活性导致底部胚柄细胞延伸分裂，并形成异常的胚胎和双胚种子。

意义和展望

本研究揭示了胚柄中特异表达的GPT1与胚发育之间的联系。胚柄细胞中的GPT1对于维持PIN1在质膜上的定位至关重要，而PIN1反过来又影响生长素的极性运输和分布，从而控制生长素调控的形态建成和胚发育。胚柄中质体定位的GPT1表达水平降低导致生长素再分配，细胞命运从胚柄细胞向初始胚性细胞转变，胚发育异常以及形成双胚种子。作者指出接下来需要更深入地研究质体定位的GPT1和极性定位的PIN1之间的分子关系，及其对生长素活性和胚发育的影响。